福州地区乌桕色叶观赏期模型预报

徐晓慧，陈昱星，朱芃铠，何天友，郑郁善，陈凌艳

（福建农林大学 风景园林与艺术学院，福建 福州 350000 ）

乌桕(Sapium sebiferum)又称桕油树、白蜡树、木君子叶，是大戟科(Euphorbiaceae)乌桕属(Sapium)落叶乔木，主要分布在中国黄河以南的各省区，北至陕西、甘肃，南至广东、广西。在日本、越南、印度等国及欧洲、美洲、非洲均有种植，是我国重要的油料树种［1］。乌桕四季皆有景可赏，以金秋时节最佳，此时层林尽染。乌桕的物候生长规律与气象条件关系紧密，尤其是叶变色期的观赏价值最高。乌桕作为福州地区的乡土色叶植物，在园林景观营造中十分广泛，建立乌桕色叶观赏期预报有利于准确发布赏叶信息，营建特色季相景观。

近年来，一些学者对苹果［2-4］、樱花［5-7］、刺槐［8］、杏花［9］和桂花［10］等植物进行了花期预报，如张增信等［11］利用1980─2012年南京市8种常见观赏树木的花期物候资料，通过有效积温法能很好地模拟出了南京地区这8种观赏植物初花、盛花和末花期，及开花时间的长短。目前，还在研究香山红叶、银杏叶变色与气象条件［12-14］的相关性和构建最佳观赏期模型［15］等方面取得了一定的研究进展，如蒋红霞等［12］利用1981─1993、2012─2014年郯城中华银杏物候观测资料，得出了银杏的最佳观赏始期、持续时间与前1周的气温、降水、日照等气象条件有显著相关性；
尹志聪等［14］利用1998─2012年其中10 a的香山公园红叶物候资料，通过相关分析和回归分析等方法建立预测模型，平均误差为3 d左右。

对乌桕叶变色的研究多集中在生理层面，有研究发现，乌桕叶在秋季变色后，其体内的叶绿体结构变得松散甚至解体，这是叶绿素含量会大幅下降的原因之一，红色叶中花色素苷的质量分数显著提升，黄色叶中类胡萝卜素的质量分数显著增加［16-17］；
另有研究指出，非结构性碳水化合物含量与类胡萝卜素、蔗糖与花色素苷含量之间呈显著正相关，全氮和淀粉含量分别与叶绿素含量呈极显著和显著正相关，色素含量与RGB值之间也存在一定的算术值关系［18］。吴飞洋等［19］通过设置不同梯度的土壤水分，研究了土壤水分胁迫对乌桕秋叶生理指标和景观效应的影响，结果表明，在叶变色过程中，经过不同处理的叶绿素质量分数均逐渐减少，而花色素苷质量分数则大幅升高，类胡萝卜素质量分数先升高后下降，并且中度(50%)和重度(35%)胁迫都能在一定程度上使叶色变化提前。目前，针对乌桕叶色变化与气象条件关系并建立观赏期预测模型的研究较少，因而开展相关研究对提升福州地区乡土植物季相营建有重要意义。

研究利用福州地区2003─2022年其中12 a的乌桕物候观测记录及气象资料，对乌桕叶变色观赏期进行预报模型构建，以期为福州地区乌桕季相景观营建提供参考。

1.1 区域概况

福州（25.15°~26.39°N，118.08°~120.31°E)地处福建省东海岸和闽江下游，为典型的亚热带季风气候，温暖湿润，四季常绿，日照充足，雨水充裕，霜冻少无雪，夏长冬短，平均无霜期326 d。年平均日照1700~1980 h，年平均降水量900~2100 mm；
年平均气温20~25 ℃，月平均气温10 ℃以上，最冷的月份为1─2月，平均气温6~10 ℃；
最热月份为7─8月，平均气温33~37 ℃；
极端最高气温为42.3 ℃，最低气温为-2.5 ℃。

1.2 数据来源

本研究选用2003─2010、2014、2020─2022年(共计12 a)福州地区乌桕物候观测记录，数据来源于福建农林大学校园植物物候观测记录，其中个别物候期记录缺漏，则根据国家地球系统科学数据中心（中国物候观测网福州站）的乌桕物候观测记录及实际观测前、后的记录数据进行插值处理以保证物候数据的完整性。将前11 a物候数据用作模型构建，2022年作为独立样本检验。

气象资料为2003─2010、2014、2020─2022年(共计12 a)福州地区气象数据，来源于国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/)、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)下设的国家环境信息中心(NCEI)(https://www.ncei.noaa.gov/data/globalsummary-of-the-day/archive/)，气象要素包括逐日平均气温、逐日平均最高气温、逐日平均最低气温、逐日平均降水、逐日日照时数。

1.3 研究方法

1.3.1 物候观测 参照中国物候观测方法标准［20］，在同一地点范围内，选取3株周围无其他大树遮挡、健康的乌桕作为物候观测的标准植物，观测时间为2022年2月4日至2023年2月4日，观测间隔为5天1侯，采用目测与望远镜结合的方法于每日14：00~17：00对选定的植物进行观测并记录，以此观测到的物候结果作为2022年的样本数据。根据《中国物候观测方法》［20］制定观测物候相及观测标准，包括：萌芽期（叶芽开始膨大期、叶芽开放期）、展叶期（开始展叶期、展叶盛期）、开花期（花序/花蕾出现期、开花始期、开花盛期、开花末期）、果实发育期（果实成熟期、果实脱落开始期、果实脱落末期）、秋色叶期（叶开始变色期、叶全部变色期）、落叶期（开始落叶期、落叶末期）。

1.3.2 数据处理 物候观测数据均采用Julian日换算方法［21］；
使用 Excel 软件对逐年物候数据进行计算，使用 SPSS 26.0软件通过线性回归方法建立乌桕叶开始变色期及完全变色期的预报方程；
利用Excel、Origin软件绘制物候图谱及叶变色曲线图及乌桕叶变色实际值与预测值拟合图。

2.1 2003—2022年福州地区气候因子变化特征

由图1分析得出，2003—2022年间福州地区的年平均气温以0.43 ℃/10 a 的速率缓慢上升，温度起伏范围在17.91~19.23 ℃之间，此期间约上升了0.82 ℃；
年均降水量以18.98 mm/10 a的速率呈微弱波动上升，此期间约增加了36.06 mm，降水范围在915.56~2286.82 mm之间；
年累积日照以104.42 h/10 a的速率呈显著减少的趋势，此期间约减少了198.40 h。总体来看，福州地区气候呈温暖、湿润的变化趋势。

图1 2003—2022年福州均温、降水和日照变化情况

2.2 乌桕物候相观测结果

根据12 a的物候观测资料制图得出乌桕各物候相的平均发生日期及持续时间（图2）。由图2可知，福州地区乌桕叶开始变色期的平均日序为315.75 d，平年对应日期是11月11—12日，闰年对应日期是11月10—11日，最早为10月14日（2003年），最晚为12月17日（2021年），相差65 d；
叶全部变色期的平均日序是367.56 d，平年对应日期是次年1月2—3日，闰年对应日期是1月1—2日，最早为11月10日（2020）年，最晚为次年1月16日（2007年），相差36 d。根据乌桕叶开始变色期和完全变色期的逐年变化曲线与线性拟合结果（图3）发现，乌桕叶开始变色期呈现缓慢延迟的趋势，乌桕叶完全变色期呈现缓慢提前的趋势，但叶开始变色期与完全变色期的变率均比较大，呈现出不稳定的特点。

图2 2003—2010、2014、2020—2022年乌桕物候图谱

图3 2003—2010、2014、2020—2022年乌桕叶开始变色期和完全变色期逐年变化曲线与线性拟合情况

2.3 乌桕叶变色期与气象条件的关系

2.3.1 乌桕叶开始变色期与气象条件的关系 通过分析乌桕叶开始变色期与前期（1月1日至叶开始变色日当天）逐旬平均气温、平均最高气温、平均最低气温、日照时数、累积降水等气象要素之间的关系（图4）发现：乌桕叶开始变色期分别与当年8月上旬、9月下旬的平均气温呈显著正相关、负相关关系；
分别与当年8月上旬、9月下旬的平均最高气温呈显著负相关和极显著正相关关系；
与8月上旬的平均最低气温呈显著负相关；
分别与当年7月中旬、8月下旬日照时数呈极显著、显著负相关关系；
与当年2月下旬累积降水呈显著正相关关系。

图4 乌桕叶开始变色期与1—11月上、中、下旬气象要素的相关系数

2.3.2 乌桕叶完全变色期与气象条件的关系 分析乌桕叶完全变色期与前期（1月1日至叶开始变色日当天）逐旬平均气温、平均最高气温、平均最低气温、日照时数、累积降水等气象要素之间的关系（图5）发现：乌桕叶完全变色期与当年8月上旬、9月下旬和12月中旬的平均气温分别存在显著负相关、显著正相关和极显著正相关关系；
与当年11月下旬的平均最高气温存在显著负相关关系；
分别与当年8月上旬、12月中旬的平均最低气温存在显著负相关和正相关关系；
而与当年日照时数和累积降水量均不存在显著相关性。

图5 乌桕叶完全变色期与1—12月上、中、下旬气象要素的相关系数

2.4 乌桕叶变色期预报模型构建

2.4.1 乌桕叶开始变色期短期气候预测 结合图4的分析结果，选定通过0.05和0.01水平显著性检验的各气象要素作为相关因子（考虑方程显著性，去除8月上旬平均最高温度）引入预报模型，利用 SPSS 统计分析软件得到乌桕叶开始变色期预报方程：

式（1）中，y为乌桕叶变色期日序预测值，x1为当年8月上旬平均气温；
x2为当年9月下旬平均温度；
x3为当年9月下旬平均最高气温；
x4为当年8月上旬平均最低气温，x5为当年2月下旬累计降水量，x6为当年7月中旬日照时数，x7为当年8月下旬日照时数。计算得R2=0.963，方程F显著性统计量的P值为0.037，且通过0.05水平的显著性检验，说明该方程回归效果较为显著，回归系数不为0，方程有效。利用该预报方程，对2003—2010、2014、2020—2021年福州地区乌桕叶开始变色期进行拟合回代检验（图6），结果表明，11 a中乌桕叶开始变色期的实际值与预报值的平均绝对误差为2.50 d，叶开始变色期预报值与实际值相差0~1 d的准确率达到45.5%，相差2~3 d的准确率为36.4%，相差5 d的准确率为18.2%，结果较为可靠。

图6 乌桕叶开始变色期的预测值与实际值

2.4.2 乌桕叶完全变色期短期气候预测 结合图5的分析结果，选定通过0.05显著性检验的各气象要素作为相关因子引入预报模型，利用SPSS统计分析软件得到乌桕叶完全变色期预报方程：

式（2）中，y为乌桕叶完全期日序预测值；
x1为当年8月上旬平均气温，x2为当年9月下旬平均气温，x3为当年12月中旬平均气温，x4为当年11月下旬平均最高气温，x5为当年8月上旬平均最低气温，x6为当年12月中旬平均最低气温。计算得R2=0.976，方程F显著性统计量的P值为0.003，通过0.01水平的显著性检验，说明该方程回归效果显著，回归系数不为0，方程有效。利用该预报方程，对2003—2010、2014、2020—2021年福州地区乌桕叶完全变色期进行拟合回代检验（图7），结果表明，11 a中乌桕叶完全变色期的实际值与预报值的平均绝对误差为1.39 d，叶完全变色期预报值与实际值相差0~1 d的准确率达到81.8%，相差2~3 d的准确率为18.2%，结果较为可靠。

图7 乌桕叶完全变色期的预测值与实际值

2.4.3 中期预报 根据短期气候预测的结果，划定可进行中期预报的时段，一般选择比短期气候预测值提前14 d开始，根据气象台每天发布的气象信息进行中期预报。预报时应采取迭代法，并根据实际情况不断修正。

将2022年8月上旬平均气温、9月下旬平均温度、9月下旬平均最高气温、8月上旬平均最低气温、2月下旬累计降水量、7月中旬日照时数、8月下旬日照时数作为预报因子代入公式（1）进行预测，预测乌桕叶开始变色期的日序为310.14 d，与实际值11月7日（日序为311 d）相比，相差0.86 d，误差可忽略不计，说明该模型具有比较高的准确率。

将2022年8月上旬平均温度、8月上旬平均最低温度、9月下旬平均温度、11月下旬平均最高温度、12月中旬平均温度及12月中旬平均最低温度作为预报因子代入公式（2）进行预测，预测乌桕叶完全变色期的日序为364.92 d，与实际值1月1日（日序为366 d）相比，相差1.08 d，与实际值基本一致，表明该模型具有比较高的精度。

气温是影响中国木本植物物候的主要因子［22］。研究表明2001—2020年全球地表平均温度比1850—1900年平均温度高出1.09 ℃［23］，气候变暖使得许多植物的春季物候期提前、秋季物候期延迟。本研究中，乌桕叶开始变色期呈现缓慢延迟的趋势，叶完全变色期呈现缓慢提前的趋势，这可能与一定界限温度的短期作用相关［22］，也可能是对光强度的年周期变化的反应［28］，还可能与我国大部分华南地区秋春相连，无冬季的季节类型有关［29］。

外部环境因素，如温度、水、光等会影响植物体内发生的光合作用、水分代谢、矿质代谢等生理生化过程，从而引起叶片内各种色素的含量和比例发生变化，使叶片呈现不同的颜色［30］。本研究中，乌桕叶开始变色期与8—9月份的气温因子尤其相关；
乌桕叶完全变色期与8—12月份的气温因子存在相关性，且与8、12月份的气温因子尤其相关，这可能是由于气温逐渐降低使叶绿素分解，导致类胡萝卜素、花青素和其他存在于叶子中的物质呈现，从而引起叶色变化［31-32］。

笔者认为，随着时间的推移，影响乌桕叶变色期的环境因素变得复杂，而各气象要素也并不是单独地发生作用，植物生长的外部条件，乌桕苗木本身的质量，以及观测年份当年的气候条件，都会对乌桕叶变色期造成影响，因此只有不断地观测收集乌桕物候资料，当样本数据不断增多，一些新的特征才可能被发现，并进一步优化预测模型。

通过对2003—2022年中12 a的福州地区的乌桕物候资料及同期气象资料的研究分析得出：（1）2003—2022年福州地区的年均气温以0.43 ℃/10 a的速率呈缓慢上升状态，此期间约上升了0.82 ℃；
年均降水量以18.98 mm/10 a 的速率呈微弱波动上升，此期间约增加了36.06 mm；
年累积日照以104.42 h/10 a的速率呈显著减少的趋势，此期间约减少了198.40 h。

（2）乌桕叶开始变色期的平均日序值为315.75 d，对应的平年日期为11月11—12日，闰年为11月10—11日；
乌桕叶完全变色期的平均日序值为367.56 d，对应的平年日期为次年1月2—3日，闰年为1月1—2日。乌桕叶开始变色期呈现缓慢延迟的趋势，乌桕叶完全变色期呈现缓慢提前的趋势，但叶开始变色期与完全变色期的变率均比较大，呈现出不稳定的特点。

（3）通过分析乌桕叶开始变色期与各气象要素的关系发现，乌桕叶开始变色期与当年8月上旬平均气温、8月上旬平均最高气温、8月上旬平均最低气温、8月下旬日照时数呈显著负相关关系；
与9月下旬平均气温、2月月下旬累积降水量呈显著正相关关系；
与9月下旬平均最高温度和7月中旬日照时数相关性最强，分别呈极显著正相关和极显著负相关关系。

（4）通过分析乌桕叶完全变色期与各气象要素的关系发现，乌桕叶完全变色期与8月上旬平均气温、11月下旬平均最高气温、8月下旬平均最低气温呈极显著负相关关系；
与9月下旬和12月中旬平均气温、12月中旬平均最低气温存在显著正相关关系；
而与日照时数和累积降水量均不存在显著相关性。

（5）依据分析得出的与乌桕叶开始变色期和乌桕叶变色期相关性最为显著的气象因子，分别建立了乌桕叶开始变色期预报模型：y=606.297-7.460x1+7.765x2-2.153x3-9.178x4-0.431x5+0.339x6-0.205x7(R2=0.963）；
乌桕叶完全变色期预报模型：y=569.066+10.593x1-6.661x2+8.771x3-2.754x4-23.007x5+8.243x6(R2=0.976)。通过回代公式（1）得到，11 a中乌桕叶开始变色期的实际值与预报值的平均绝对误差为2.50 d；
通过回代公式（2）得到，11 a中乌桕叶完全变色期的实际值与预报值的平均绝对误差为1.39 d，误差均较小，结果较为可靠。

（6）经2022年独立样本检验，乌桕叶开始变色期的日序值与实际值相差0.86 d，乌桕叶完全变色期的日序值与实际值相差1.08 d，误差均较小，可知这2个模型均具有比较高的准确率和可操作性。

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